工業設備支撐體系方案優化思路分析
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【摘要】設備承重支撐體系是一種特殊的結構形式，在我國工業項目中的應用范圍越來越廣，設備支撐結構體系類似于民建鋼框架結構、鋼框架-支撐結構體系。重型設備的支撐點主要集中在結構體系的局部樓層，導致上下樓層質量、剛度比例偏差較大，設備布置偏心，不滿足抗震設防要求[1]。隨著傳統工業的工藝技術不斷革新、新型工藝技術的發展、重型設備的出現，優化鋼結構承重支撐體系勢在必行。在滿足承載能力和使用要求的前提下，可打破常規規則與相對不規則結構形式間的界限。依據結構專業設計條件[2]、操作樓層和承重樓層分別設計的優化思路，對降低鋼材用量、節約項目成本具有現實意義。鑒于此，論文主要對現階段工業承重體系的優缺點進行分析，提出其承重鋼結構體系優化的構想和措施。
1引言
隨著國民經濟的增長，工業企業迅速發展，鋼結構用量越來越大。工藝條件不斷改進和技術加速革新，大型承重設備支撐體系方案形式多種多樣，不同的設計單位所設計的鋼結構支撐形式和思路各不相同，暴露出方案設計方面的許多缺點和不足。鋼構件截面形式主要有H型鋼、箱型鋼、T型鋼及組合截面形式等，鋼材強度高，相對砼構件，截面穩定性差。不同截面布置形式，抗扭、抗彎性能不一樣。所以設計者應與工藝人員充分協調溝通，優化工藝設備布置，主要包括：特重設備宜布置在支撐體系的底層樓面且居中布置；調整工藝管道和設備布局盡量使框架承重體系保持整體統一，優化每一個構件，使構件之間內力和變形協調一致，減少應力突變；將承重部位構件與結構的最佳受力狀態充分發揮，提高結構的延伸性和整體性，增強結構整體剛度和與施工抗傾覆能力；調整樓平面布局，使結構的平面的質量中心與外力作用中心最大化地重合，減小偏心，防止受到外力影響，使得結構出現扭轉效應。結構承重體系的優化必須將結構承受荷載與相應內部應力現象通過簡單的形式標注。所以通過研究結構體系承重部位、結構整體布置、材料強度應用、結構特點、地理環境等設計要素來實現構件應力等結構最輕設計方法，通過軟件多次迭代計算[3]，優化結構方案體系，具有現實意義。
2承重結構體系方案優化的思路
2.1底部樓層布置重型設備的支撐框架形式優化思路
對于支撐體系框架，重型設備支座處，設備荷載和樓層質量最大，承重層以上多層僅為操作檢修荷載，質量較小，上下層質量比相差大。外荷載主要集中在承重層，樓層水平地震作用的上下分布極為不均。為了滿足框架樓層抗剪承載力不突變和構造要求，上下樓層各豎向抗側力構件截面尺寸偏差不能過大，否則不能滿足《構筑物抗震設計規范》中的結構體系規則性要求[4]，對于其他承受水平力較輕，檢修操作層的立柱截面尺寸相對過大，造成材料成本浪費。當前，應打破常規設計思路，滿足大震不倒理念；增強承重支點部位以下抗側剛度；保證結構體系的整體抗傾覆力矩；滿足承重部位各構件的彈性承載力要求；使操作檢修層的部分構件塑性變形并滿足使用要求。具體優化思路包括：因承重層的梁柱節點處框架梁截面尺寸較大，梁線剛度遠大于柱，不能滿足強柱弱梁要求[5]，在巨大水平力作用下，柱端容易發生塑性變形而屈服，引起結構整體傾覆。以承重層為分界面，上下采用兩種結構體系模式，承重層框架梁采用梁貫通形式，上部各層為樓層檢修荷載，其各層質量均勻，無質量突變，采用框架結構體系。下部為主要承重抗側力體系，且質量主要集中在承重層，下部采用框架-支撐結構體系，豎向構件不滿足抗側力的方向均設豎向支撐。這種混合結構模式，增大主要承重部位豎向構件截面尺寸，減小次要操作層構件截面尺寸，既節約鋼材，又降低工程成本，而且施工安裝方便，在承重體系優化方面具有借鑒意義。
2.2結構樓層平面體系和選材優化思路
大多數室外露天工業承重結構體系的樓層面均采用鋼格柵板，格柵板對樓面次梁平面外約束忽略不計。滿足工藝設備布置和檢修操作的要求，盡量簡化布置次梁，并設置樓面水平斜支撐，增加樓面剛度，節約鋼材。改變相鄰樓面次梁布置方向，適當增設垂直于跨度較大次梁間短次梁，調整樓面剛度，節約資源，一般情況下，樓面次梁間距宜按2～2.5m布置，比較經濟。結構構件的設計實質，就是構件材料的組合和選擇，充分利用材料的受力性能和截面屬性。不同強度等級的鋼材，如Q235和Q355的組合比較多[6]，一般情況下，結構構件強度要求高，而穩定性要求低的部位，宜選用Q355材質；穩定性要求高，而強度要求低的部位，宜選用Q235材料。鋼結構承重體系的次要構件，一般以Q235鋼材為主。結構體系優化的實質就是設法使各構件的布置滿足各方向外力的明確傳力途徑，減少外力傳遞途徑，使力的傳遞少走彎路；通過軟件的反復試算，使每個結構構件受力變形合理均衡；最終使結構體系安全、經濟、美觀、可靠、合理，使工程項目降低成本、節約鋼材。
3支撐體系優化的前提
3.1了解承重結構體系的內在特征
不同的結構承重支撐體系方案，優化和設計的方向、思路不一樣。宜從以下幾個方面考慮認識結構體系的特點：項目設備的噸位和立臥方位、支吊點部位、結構節點的連接方式、結構體系形式、支撐框架的作用、現場施工運輸要求、安裝加工方式。依據項目特點和支撐體系的作用，進行有針對性的優化和調整措施。例如，重型高位設備的支撐框架，其主要特點是設備外荷載質量主要集中在框架的局部，地震引起框架局部水平力太大，結構體系整體受力不均勻，抗震概念要求很難滿足。不同的結構體系，其本身特點和要求不一樣。著重考慮和優化水平力傳遞路徑及次梁的不同方位布置形式，提高抗側高度和抗傾覆力矩。
3.2了解結構優化的外在影響因素
設備支撐體系，不能等同于《高層民用建筑鋼結構技術規程》中的民建結構體系形式，其樓層高度和恒荷載質點隨工藝要求不同而不同。各層高度和樓層質量各不相同，且大多數工業支撐結構均為無維護體系的露天結構，受高溫設備、高溫管道、震動荷載、熱輻射、火災等環境因素影響很大。結合項目工藝設備具體要求，不能僅依靠軟件的內力計算確定構件的布置和截面形式，還宜綜合考慮結構的基礎形式、場地特征、地震烈度、室外工作溫度、風雪影響和周圍其他裝置危險級別等進行優化和調整。
4結論
承重支撐體系鋼結構是現階段工業項目中支撐重型設備普遍運用的特殊結構支撐形式，不同于民建結構體系中的鋼框架結構、鋼框架-支撐結構等形式，越來越被行業所關注。該結構體系有其自身的特殊性，其層高不同，樓層載荷不同，作用不同，主要荷載質量集中支點不同，需要設計人員應對其不斷地研究和設計優化?，F階段，行業人員沒有完全具備設備支撐體系框架結構的理念，技術的應用還不夠，與民建結構體系混淆不清。因此，需要設計人員具備工業結構設計實踐和理念，依據項目工藝條件和化工設備支撐體系的自身特點，合理進行支撐體系方案的優化設計，即特重設備的支撐，采用兩種結構體系的組合形式，完善設計流程，熟悉項目環境和結構特點，保證結構構件合理受力，傳力路徑明確，從而實現工業設備支撐結構的健康發展，優化支撐方案體系，節約材料，最大化地提高工業行業的經濟效益。
【參考文獻】
【1】SH3147—2014石油化工構筑物抗震設計規范[S].
【2】韓冬冰,王文華,趙旗.化工開發與工程設計概論[M].北京:中國石化出版社,2010.
【3】余俊.現代設計方法及應用[M].北京:中國標準出版社,2002.
【4】GB50191—2012構筑物抗震設計規范[S].
【5】GB50011—2010建筑抗震設計規范[S].
【6】GB50017—2017鋼結構設計標準[S].
作者：張國斌 單位：天華化工機械及自動化研究設計院有限公司
